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1、 分类号 TN957 学号 09041151 密级 公 开 工学硕士学位论文 地基地基 SFCW SAR 差分干涉差分干涉 测量技术研究测量技术研究 硕士生姓名 张 祥 学 科 专 业 电子科学与技术 研 究 方 向 信息获取处理及电路实现技术 指 导 教 师 陆必应 副教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月二一一年十一月 地基 S F C W S A R 差分干涉测量技术研究 国防科学技术大学研究生院 Research on Ground-Based SFCW SAR Differential Interferometry Techniques Candida
2、te：Zhang Xiang Advisor：Lu Biying A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Electric Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China （November，2011） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I
3、 页 目 录 摘 要 . i ABSTRACT.ii 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景及意义. 1 1.2 研究和发展现状. 3 1.2.1 典型的地基 SFCW SAR 差分干涉测量系统 4 1.2.2 关键技术研究现状 5 1.3 论文主要工作及内容安排. 7 第二章 地基 SFCW SAR 差分干涉测量 9 2.1 引言. 9 2.2 地基 SFCW SAR 差分干涉测量技术原理 . 9 2.2.1 地基 SFCW SAR 系统观测模型 9 2.2.2 步进频率连续波技术 10 2.2.3 SAR 成像技术 . 12 2.2.4 差分干涉测量技术 13 2.3 地基 SFCW SA
4、R 差分干涉测量数据处理流程 . 14 2.4 影响测量精度因素分析. 15 2.4.1 观测平台的不稳定性 16 2.4.2 系统工作频率的不稳定性 16 2.4.3 干涉相位误差 17 2.4.4 形变真值解算误差 18 2.4.5 测量精度影响因素小结 20 2.5 小结. 20 第三章 地基 SAR 复图像配准和大气效应影响校正. 22 3.1 引言. 22 3.2 地基 SAR 复图像配准 . 22 3.2.1 SAR 复图像配准一般步骤 . 22 3.2.2 SAR 复图像配准常用方法 . 23 3.2.3 地基 SAR 复图像配准 25 3.3 大气效应影响校正. 30 3.3.
5、1 大气效应对地基 SAR 干涉相位的影响 30 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.3.2 大气效应影响校正方法 32 3.3.3 大气效应影响校正试验 34 3.4 小结. 37 第四章 地基 SFCW SAR 差分干涉测量应用. 38 4.1 引言. 38 4.2 地基 SFCW SAR 雷达系统介绍 . 38 4.3 位移测量试验. 41 4.3.1 试验场景设置 41 4.3.2 试验结果与分析 42 4.4 穿墙人体动目标探测应用. 44 4.4.1 墙后人体动目标检测方法 44 4.4.2 穿墙人体动目标探测试验 47 4.4.3 试验结果与分析 48 4.5
6、 小结. 51 第五章 结束语 52 致 谢 54 参考文献. 55 作者在学期间取得的学术成果. 60 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 1.1 地基 SAR 差分干涉测量技术与传统形变监测方法比较 1 表 2.1 影响测量精度因素造成的误差 20 表 3.1 地基 SAR 试验系统参数设置 35 表 3.2 目标 TCR2 位移值对比（cm） . 37 表 4.1 地基 SFCW SAR 系统参数设置 41 表 4.2 地基 SAR 形变监测结果与形变设置值对比 44 表 4.3 地基 SAR 系统参数设置 47 表 4.4 站立动肢体人体目标检测统计结
7、果 51 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 LISA 系统照片 4 图 1.2 IBIS-L 系统照片 5 图 1.3 SSR 系统照片 5 图 2.1 地基 SFCW SAR 系统观测几何模型 10 图 2.2 步进频率连续波发射脉冲示意图 10 图 2.3 目标区域二维成像几何示意图 12 图 2.4 地基 SAR 差分干涉测量数据处理流程图 14 图 2.5 频率偏移对视向形变的影响（cm）. 16 图 2.6 斜距近似平行假设几何关系（左图）和精确几何关系（右图） 18 图 2.7 形变真值近似处理误差 19 图 2.8 各因素对形变真值解算误
8、差的影响16 19 图 3.1 图像配准一般步骤 23 图 3.2 本文配准方法流程图 28 图 3.3 主辅图像幅度图 28 图 3.4 配准前后干涉相位图 29 图 3.5 配准前后相干系数图 29 图 3.6 配准前后相干系数直方图统计结果 30 图 3.7 大气效应影响（mm） 31 图 3.8 雷达试验系统实物图 34 图 3.9 试验场景照片图(a)和 GPS 标定图(b) 35 图 3.10 试验场景 BP 成像幅度图. 36 图 3.11 试验中观测区域大气温度(a)和相对湿度(b)变化情况. 36 图 4.1 地基 SFCW SAR 系统试验平台 . 38 图 4.2 雷达系
9、统结构框图 39 图 4.3 频率合成器结构框图 39 图 4.4 收发天线阵列和合成孔径示意图 40 图 4.5 雷达和三面角反射器移动位置示意图 41 图 4.6 固定在 A 点三面角反射器位移变化情况. 42 图 4.7 A 点到 E 点三面角反射器位移变化情况 43 图 4.8 三面角反射器较大位移跳变处情况 43 图 4.9 检测算法流程 46 图 4.10 墙后人体目标探测场景示意图 47 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.11 目标区域 BP 成像幅度图. 48 图 4.12 人体运动幅度图像差分图 48 图 4.13 图像差分效果好的目标检测结果 49
10、图 4.14 图像差分效果差的目标检测结果 49 图 4.15 人体站立动肢体差分图 50 图 4.16 站立动肢体人体目标检测结果 50 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 地基步进频连续波（Stepped Frequency Continuous Wave，SFCW）合成孔径雷 达（SAR）差分干涉测量技术可获得亚毫米级的测量精度，具有远距离、大范围、 连续空间覆盖的实时监测能力，在人造大型建筑物和地表形变监测领域具有广泛 的应用前景。本文在建立地基 SFCW SAR 观测模型和差分干涉测量信号处理流程 的基础上， 围绕如何提高地基SFCW SAR 系统的测量精度，
11、研究了地基SFCW SAR 差分干涉测量中若干关键技术。 首先，建立了地基 SFCW SAR 系统的观测模型，而后结合观测模型分析了步 进频率连续波距离综合和方位合成孔径成像原理，给出了地基 SFCW SAR 差分干 涉测量数据处理流程。对影响地基 SAR 差分干涉测量精度的主要因素观测平台 的不稳定性、系统频率的不稳定性、干涉相位误差和形变真值解算误差进行了仿 真分析。 其次，研究了地基 SFCW SAR 差分干涉测量中的两个关键技术问题地基 SAR复图像亚像素级配准和大气效应影响校正技术。 在地基SAR复图像配准方面， 在研究 SAR 复图像配准的步骤和常用方法的基础上， 采用基于 Fou
12、rier-Mellin 变换 和相干系数法相结合的复图像配准方法实现了地基 SAR 复图像的配准，通过实测 图像数据验证，获得了亚像素级配准精度。在大气效应影响校正方面，深入分析 了大气效应对地基 SAR 差分干涉测量的影响，研究了人工控制点校正法和气象数 据校准法，提出了大气效应影响校正试验方案，验证了其校正效果，提高了地基 SFCW SAR 差分干涉测量精度。 然后，利用已有的地基 SFCW SAR 系统，设计了差分干涉位移测量试验，检 验了地基 SFCW SAR 系统地差分干涉测量性能，获得了亚毫米级测量精度，实现 了对目标形变的高动态、高精度测量。 最后，将地基 SFCW SAR 差分
13、干涉测量技术应用于墙后人体动目标探测，提 出了一种图像差分和干涉相位相结合的动目标检测方法；在传统的图像差分变化 检测的基础上，进行进一步的干涉相位检测，在相同检测概率前提下极大降低了 虚警率。 主题词：地基合成孔径雷达 步进频连续波 差分干涉测量 复图像配准 大气效应影响 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT The ground-based stepped frequency continuous wave synthetic aperture radar differential interferometry technique can achieve a
14、n accuracy of sub-millimeter. It has the ability of real-time monitoring a remote and large-scale area, and covering a continuous space. The technique has been widely used in monitoring man-made structures and the earths surface deformation field. In this thesis, based on ground-based SFCW SAR syste
15、m observation model and differential interferometry data processing, some critical techniques about the ground-based SFCW SAR differential interferometry are studied focusing on how to improve the system measurement accuracy. The work can be summed up as the following four parts: Firstly, the ground
16、-based SFCW SAR system observation model is established, and then analyzed stepped frequency continuous wave range synthesis and azimuth synthetic aperture imaging. The major factors which influence the accuracy of ground-based SFCW SAR differential interferometry measurement are observation platform instability, system frequency instability, differential phase error, and actual displacement error due to calculate. Simula
